代码收藏家 嵌入式硬件中的阶跃函数详解
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前言
本文仅仅简单介绍了阶跃函数、冲激函数的定义、性质以及使用场景。
一、阶跃函数（Unit Step Function）
1.定义
阶跃函数（通常表示为 𝑢(𝑡) 或 𝐻(𝑡)是一个分段常数函数，用于描述信号在某一时刻的突变。
2.数学定义
在 𝑡=0处，某些定义可能取 𝑢(0)=0.5，但工程中通常简化为 0或 1。
3.性质
时移性质
与其他信号的乘积
积分与微分
4.应用场景
系统测试
系统测试：作为输入信号（阶跃响应），分析系统的稳态和瞬态特性。
信号建模
信号建模：描述信号的开关行为（如电路中的电源接通）。
构建复杂信号
构造复杂信号：如矩形脉冲 𝑢(𝑡)−𝑢(𝑡−𝑇)
二、冲激函数（Dirac Delta Function）
1.定义
冲激函数 𝛿(𝑡)是一种广义函数
其物理意义为瞬时作用（如瞬时力、电流脉冲），数学上可通过矩形脉冲的极限定义：
2.性质
抽样性质
缩放性质
与阶跃函数的关系
偶函数性
3.应用场景
系统分析
系统分析：冲激响应 ℎ(𝑡)是线性时不变系统的核心特性，通过卷积可得任意输入响应。
信号采样
信号采样：理想采样模型
微分方程求解
微分方程求解：表示瞬时激励（如电路中的电容初始电压突变）。
三、阶跃函数与冲激函数的联系
1.微分与积分关系
- 阶跃函数的导数是冲激函数
- 冲激函数的积分是阶跃函数
2.系统响应关联
阶跃响应 𝑠(𝑡)的导数为冲激响应 ℎ(𝑡)，即 ℎ(𝑡)=𝑑𝑠(𝑡)/𝑑𝑡。
四、在信号与系统中的重要性
1.信号表示
信号表示：用于构建复杂信号（如分段信号、周期信号）。
2.系统特征提取
系统特性提取：冲激响应完全表征线性时不变系统。
3.频域分析
频域分析：冲激函数的傅里叶变换为全频带（𝐹{𝛿(𝑡)}=1），阶跃函数则含奇异分量（需结合符号函数）。
五、物理意义与工程应用
1.电路分析
电路分析：阶跃函数模拟电源开关，冲激函数描述电容瞬间充电。
2.力学系统
力学系统：冲激函数表示瞬时冲击力，阶跃函数表示恒力加载。
3.通信系统
通信系统：冲激函数用于理想采样，阶跃函数定义调制信号的起始。
作者：Ronin-Lotus
